Unsere drahtlose Kommunikation

Die TU Graz ist im Bereich Hochfrequenz-Messtechnik weltweit führend

MICHAELA ORTIS
vom 23.06.2021

Fast alle Sensoren im Internet der Dinge sind drahtlos vernetzt

"Auch heute wissen viele nicht, wo Hochfrequenztechnik überall drin ist, Daten drahtlos übertragen werden und Sensorik über Funk im Einsatz ist", erklärt Bösch. Die gesellschaftliche Relevanz dieser Technologie ist groß, sie spielt in alle Lebensbereiche hinein: WLAN im Büro, das Smartphone, mit dem wir telefonieren oder streamen, Satelliten-Wettervorhersage über Funk, GPS, das uns anzeigt, wo wir gerade sind, Sportuhren, die Daten drahtlos übertragen. Auch dass in der Pandemie Wirtschaft und Gesundheitssystem weiterhin funktioniert haben, ist nur durch drahtlose Datenverbindungen möglich gewesen. Per Videokonferenzen, Handyverbindungen und das Internet hat auch die wissenschaftliche Community zusammengearbeitet und Impfstoffe entwickelt.

Anwendungen wie Smart City, Smart Home, Smart Grid, Smart Farming, Fertigungsanlagen der Industrie 4.0, Automatisierungstechnik mit Robotik funktionieren nur mit drahtlosem Datenaustausch und drahtloser Sensorik und Ortung. "99 Prozent der Sensoren des Internet der Dinge sind drahtlos miteinander vernetzt. Besonders automatisierte Autos der Zukunft müssen direkt miteinander und der Umgebung kommunizieren können", erklärt Bösch.

Vernetzung der Hochfrequenztechnik in Österreich

Um das Bewusstsein der Öffentlichkeit für die Leistungen der Hochfrequenztechnik zu wecken und gleichzeitig Akzeptanz von technischen Themen zu steigern, hat Wolfgang Bösch die ARGE Hochfrequenztechnik in der Österreichischen Forschungsgemeinschaft (ÖFG) gegründet. Mit der verbundenen finanziellen Unterstützung sollten Forschungskompetenzen an den österreichischen Universitäten und der Industrie vernetzt werden. Sieben Jahre später zieht Bösch eine sehr positive Bilanz:

"Besonders erfolgreich sind die Workshops, wo Doktoratsstudierende erstmals vor größerem Publikum einen wissenschaftlichen Vortrag halten und sich mit Expertinnen und Experten aus ähnlichen Forschungsbereichen austauschen können. Wir laden auch die Industrie ein, sodass einmal pro Jahr die gebündelte Expertise an einem Ort zusammenkommt."

Rund fünfzig Doktorandinnen und Doktoranden können untereinander und mit künftigen Arbeitgebern Kontakte knüpfen und bekommen Karrierechancen. Die Workshops wurden bekannter und vermehrt von der heimischen und internationalen Industrie unterstützt. Das neu geschaffene Handbuch "Who is Who -Kompetenzen in der Hochfrequenztechnik in Österreich" dient ebenfalls dem ÖFG-Ziel, Wissenschaft und Industrie zu vernetzen.

Die Professoren der Technischen Universitäten Graz, Wien, Linz und Innsbruck sowie der FH Kärnten schätzen in der ARGE den Erfahrungsaustausch in der Lehre, berichtet Bösch: "Wir haben didaktisch wertvolle Übungsbeispiele sowie Prüfungsbeispiele ausgetauscht, das wäre sonst nicht passiert. Ebenso unterstützen wir uns gegenseitig mit Messgeräten, das ist ein signifikanter Mehrgewinn." Mit diesem Wissenstransfer wird die Qualität in Lehre und Forschung gesteigert, der Weiterbildungsbedarf kann gemeinsam erhoben werden. So trägt die ARGE Hochfrequenztechnik dazu bei, die heimische Wettbewerbsfähigkeit in diesem strategischen Bereich zu fördern.

Die großen Datenmengen brauchen hohe Frequenzen

Technologien wie Smart City oder Smart Grid und ebenso das Smartphone erhöhen die übertragenen Datenmengen, hohe Datenraten und damit große Bandbreiten werden immer wichtiger. Man erreicht sie nur durch Einsatz von Übertragungskanälen bei höheren Frequenzen im Mikrowellenoder mm-Wellen-Bereich, dazu dient der Ausbau der Mobilfunknetze auf 5G, dann 6G. Am Institut für Hochfrequenztechnik der TU Graz forschen seit 2010 fünf Arbeitsgruppen, wie Systeme, Schaltungen und Bauteile für höhere Frequenzen erforscht, entwickelt und gemessen werden können, denn in der Hochfrequenztechnik verhalten sich viele Dinge anders als bei niedrigen Frequenzen.

Die Gruppe RFID Technologies forscht an miniaturisierten drahtlosen Sensoren mit minimalem Stromverbrauch; eine Weiterentwicklung der ursprünglichen RFID-Technologie. Die integrierten Schaltungen mutieren zur Sensorik, sie antworten nicht nur mit einem Code, sondern geben auch Zustände wie Temperatur oder Druck an. Die Übermittlung dieser Zustände in Form von Daten erfolgt drahtlos mit minimaler Energie, also vornehmlich ohne Batterie. Das ist möglich, weil bei der Abfrage die Energie für die elektronische Antwort bereits an den Chip übertragen wird: "Diese drahtlose Energieübertragung, kombiniert mit Sensorik, ist künftig ein heißes Thema, etwa um Kühlketten zu dokumentieren."

Weltweit führend ist das Grazer Institut für Hochfrequenztechnik im Bereich Messtechnik - besonders auf Leiterplatten und spezialisiert auf hohe Frequenzen. Die Messtechnik wird immer komplizierter, sie ist von Unternehmen kaum mehr in der nötigen Genauigkeit bewältigbar. So hat die TU Graz gerade das EBS-Labor (Electronic Based Systems) aufgebaut und mit Equipment um drei Millionen Euro eingerichtet. Forschungsgruppen beschäftigen sich auch mit Radaranwendungen, etwa bei automatisiert fahrenden Autos, sowie mit optischer Nachrichtentechnik zur abhörsicheren Datenübertragung.

Die Arbeitsgruppe für Hochfrequenzkomponenten (Antennen, Filter und Verstärker, kombiniert zu einem 'Front-End'), forscht an neuen Fertigungstechnologien wie dem 3-D-Druck für Hochfrequenzkomponenten und der Anforderung, mehr Funktionalität in eine Komponente zu packen, um Platz zu sparen. Hier erhofft man sich viel vom neuen CD-Labor für multifunktionale und hochintegrierte elektronische Komponenten.

Ein neues CD-Labor für robuste Datenübertragung

"In den letzten zwanzig Jahren wurde mit Forschungsbudgets in Milliardenhöhe weltweit viel in der Halbleiterindustrie erreicht. Alle elektronischen Komponenten wurden kleiner, schneller und besser. Jetzt müssen wir den Fokus verstärkt auf passive Bauteile richten. Das neue Christian Doppler Labor für technologiebasiertes Design und Charakterisierung von elektronischen Komponenten soll diesen Rückstand aufholen", erklärt Wolfgang Bösch die Gründungsidee im November 2020.

Finanziert wird das Labor für sieben Jahre mit vier Millionen Euro durch die Industriepartner Qualcomm (in fast jedem Handy steckt ein Qualcomm-Chip), AT&S (weltweit führend bei Leiterplattenherstellung) sowie Fronius, spezialisiert auf Leistungselektronik. Öffentlicher Förderpartner ist das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort. Die Resonanz in der Industrie sei laut Bösch groß. Sie rührt daher, dass bis 2030 voraussichtlich 500 Milliarden Geräte via Internet verbunden sein und drahtlos miteinander kommunizieren werden.

"Das Problem ist nicht die Anzahl der Sensoren, sondern deren Robustheit und Datensicherheit. Wenn etwa ein Kanal zur sicheren Datenübertragung gestört ist, muss ich einen anderen nehmen können", erklärt Bösch. Das ist heute schon bei jedem Handy der Fall: Je nachdem ob wir WLAN nutzen oder Bluetooth, Videos schauen oder irgendwo auf der Welt telefonieren, kommen unterschiedliche Normen zur Anwendung. Daher sind in jedem Handy eine Fülle von Filtern, Schaltern, Sendeund Empfangseinheiten eingebaut, die verschiedene Übertragungskanäle ermöglichen. Alle Komponenten müssen auf immer kleinerem Platz integriert werden, und das ist nur möglich, wenn Bauteile mehrere Funktionen übernehmen. "Das ist Multifunktionalität: Da arbeitet ein Verstärker etwa auf verschiedenen Kanälen. Ganz neu sind Filtennas, Antennen, die gleichzeitig auch eine Filterfunktion übernehmen."

Elektromagnetische Wechselwirkungen besser kontrollieren

Wenn elektrische Bauteile sehr dicht nebeneinander betrieben werden, können sie sich gegenseitig durch elektromagnetische Wechselwirkungen stören. Das gilt für Komponenten bei drahtlos vernetzten Geräten der Hochfrequenztechnik und für die Leistungselektronik, die Lade-und Netzgeräte oder Wandler zur Umformung von Spannung, etwa bei Solaranlagen, produziert. Im neuen CD-Labor forscht man daher an folgenden Fragen:

Wie kann man bereits in der Designphase die elektromagnetische Verträglichkeit garantieren? Während bisher vor allem Prototypen ausprobiert wurden, sollen nun Simulationsmethoden entwickelt werden. "Entwicklungen nach dem Trial-and-Error-Prinzip sollen schon aus Kostengründen der Vergangenheit angehören." Aufgrund der ähnlichen Anforderungen in Hochfrequenztechnik und Leistungselektronik können für beide Sparten sehr ähnliche Modelle entwickelt werden. Wie können, dem Trend der Miniaturisierung folgend, passive und aktive Komponenten in Leiterplatten dreidimensional eingebettet werden?

Leiterplatten werden in bis zu zwanzig Schichten verpresst, dazu müssen horizontale und vertikale Verbindungen geschaffen werden. Zur Vermeidung der elektromagnetischen Koppelung sollen optimierte Geometrien entwickelt werden. Durch eine exakte Messtechnik können dann entsprechende Modelle erstellt und verifiziert werden. Diese Modelle werden für das Schaltungsdesign und als Feedback zur Optimierung von Fertigungsparametern und Materialien verwendet.

Wie können wir messen, was wir messen müssen? "Normale Messtechnik stößt hier an ihre Grenzen. Neue Methoden für breitbandige Mikrowellenmessungen sollen helfen, die Genauigkeit zu erhöhen und Fehler im Messprozess automatisch erkennbar zu machen, um damit Fertigungstoleranzen besser kompensieren zu können", sagt Bösch.

Wir nutzen Smartphones, ohne uns Gedanken darüber zu machen, welche Rolle die Hochfrequenztechnik dabei spielt. Darum kümmert sich die ARGE Hochfrequenztechnik der ÖFG und macht dabei auch die heimische Kompetenz in dieser Schlüsseltechnologie sichtbar.

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